淺析石墨烯類材料在水處理和地下水修復中的應用

趙衛芳

【摘要】作為一種性質優異的吸附材料，石墨烯類材料對有機物和重金屬等多種水污染物均有出色的吸附能力，因此其在水處理和地下水修復工作中的應用前景在近幾年備受關注.當前的研究總體上尚停留在實驗室模擬階段，在提高材料飽和吸附量的同時，研制出低成本、穩定性強、易于再生利用且環境友好的石墨烯類材料是今后的發展趨勢。

【關鍵詞】石墨烯；吸附材料；水處理；地下水修復

一、石墨烯的結構及性能

（一）石墨烯的結構

石墨烯是單層碳原子以六方晶格排布的二維蜂窩狀新型碳材料，具有非常好的電學性能及結晶性能，是構建其他維數碳質材料（如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨）的基本單元。當石墨烯晶格中有五元環晶格存在時，石墨烯片層產生翅曲，有12個以上五元環晶格存在時會形成零維的富勒烯；當石墨烯以其面上的一點為周卷曲一圈時，就會卷成無縫的一維碳納米管；當石墨烯六角網面之間通過π電子相互作用就會堆垛成三維的石墨。

（二）石墨烯的性能

石墨烯的這種獨特的單層分子結構決定了它一些特有的物理、化學性能。石墨烯具有穩定的晶格結構，這使得它具有非常好的導熱性能，有關實驗測得石墨烯的熱導率可達到5000W/（m·K），禁帶寬度幾乎為零，遠高于在室溫下測得的金屬銅的熱導率[400W/（m·K）]，甚至也高于金剛石和碳納米管的熱導率。與普通金屬材料熱脹冷縮的性質不同，石墨烯的熱導率隨溫度的升高而降低。石墨烯也具有優異的力學性能，是目前世界上已知材料中最薄也是最堅硬的納米材料，其斷裂強度（強度極限）為42N/m2。石墨烯的電阻率約為10-6Ω·cm，比金屬銅或銀低很多，是目前所有已知材料中在室溫下具有最低電阻的材料，石墨烯的導電密度是銅的100萬倍。石墨烯這種優異的導電性能將會在微電子領域發揮巨大的潛力，研究人員把石墨烯看作是硅的替代品，未來將應用于超級計算機的生產。

二、石墨烯類材料在水處理中的應用

（一）有機物

石墨烯類材料含有大量的碳六元環且表面能連接各種豐富的官能團，因此能通過靜電吸引、π-π堆積作用、氫鍵作用、分子間作用力和疏水作用與常見的有機污染物例如染料、抗生素、多環芳烴、油污等發生相互作用，從而起到凈化水質的作用。染料廢水主要來源于紡織、皮革、造紙、醫藥和食品行業，因其高毒性、致癌、難以被生化降解等特點對環境和人體健康造成威脅。據報道每年有超過70萬t的有機染料被生產，大部分染料在工業廢水中經過沉積作用后最終排入水系。

（二）重金屬

近年來，冶金、金屬電鍍、采礦、陶瓷和電池制造企業向水環境排入大量含有重金屬離子的工業廢水，造成水體重金屬污染。這些重金屬離子具有高毒性、難降解、易生物累積的特點，因此必須在排放前進行處理。石墨烯類材料在處理重金屬污染方面的應用潛力也受到學者們的關注。石墨烯類材料吸附重金屬離子的作用機理主要為靜電相互作用、離子交換和表面絡合作用。Xu等報道了一種將乙酰丙酮作為還原劑和穩定劑將GO還原成水溶性石墨烯的方法，這種方法環境友好且反應條件溫和，對Cd2+的最大吸附量為49.28mg/g，為碳納米管的4.5倍，對Co2+的最大吸附量為27.78mg/g，為TiO2納米顆粒的3.6倍。Zhang等通過改進的hummers法制備出聚乙烯吡咯烷酮（PVP）與還原氧化石墨烯的復合材料（PVP-RGO），在初始pH值3.5時充分攪拌10min后對Cu2+的最大吸附量達到1689mg/g，密度泛函理論解釋了吸附機理，PVP-RGO上的碳原子通過物理吸附將Cu2+吸附到RGO表面，Yusuf等將十二烷基硫酸酯鏈（SDS）經疏水作用固定在GN表面制成GN-SDS復合材料，其對Cu2+和Mn2+的最大吸附量分別為369.16和223.67mg/g，經過連續5次吸附循環后，吸附效率降低30%～33%。吸附過程主要受GN-SDS表面的電子受體復合物和金屬離子之間的靜電相互作用支配。

三、石墨烯類材料在地下水污染修復中的應用

原位修復技術主要有生物修復技術、化學修復技術、空氣擾動技術、滲透反應格柵技術（PRB）等，GN作為一種物理吸附劑并不能與污染物進行直接的生物或化學反應。因此，在眾多地下水原位修復技術中，石墨烯類材料最有可能應用在PRB技術中，即將其作為吸附材料置于PRB中或通過直接注入到受污染的地下水的方式進行修復。

在地下水修復方面，石墨烯類材料的研制需要結合和充分考慮地下水污染場地的實際條件。地下水原位修復技術難度大，主要原因在于野外實際場地條件比實驗室模擬的要復雜，而且條件難以控制甚至不可控，因此在實驗室已成功研制甚至在水處理工程中已成功應用的修復材料，在地下水原位修復時未必可行，石墨烯類材料也不例外。

參考文獻

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